Buzdolabı

Buzdolabı veya dondurucu; yaygın olarak buhar sıkıştırma çevrimine göre çalışan, gıdaların soğuk tutularak uzun zaman muhafaza edilmesini sağlayan beyaz eşya, dondurma ve soğutma makinesidir. Bu bağlamda absorpsiyonlu soğutma ve ayrıca Peltier soğutma sistemleri ile çalışan düşük verimli buzdolapları da mevcuttur. Isı yalıtımı bir bölmeden ve bir ısı pompasından (mekanik, elektronik veya kimyasal) oluşur. Soğutma, dünya çapında vazgeçilmez bir gıda koruma tekniğidir. Türleri ve işlevlerine göre ev eşyası, sanayi ve ticari buzdolabları mevcuttur.

Düşük sıcaklık, bakterilerin üreme oranını azaltır, bu nedenle buzdolabı bozulma oranını düşürür. Bir buzdolabı, suyun donma noktasının birkaç derece üzerinde bir sıcaklığı korur. Bozulabilir gıdaların depolanması için optimum sıcaklık aralığı 3 ila 5 °C'dir (37 ila 41 °F). Dondurucu, içindekilerin sıcaklığını suyun donma noktasının altında tutan buzdolabının bir bölümüdür.

Soğutmanın amacı kapalı bir mahâlde, çevre sıcaklığının altında sıcaklıklar elde etmek ve bu düşük sıcaklığı sürekli olarak muhafaza etmektir. Isı enerjisi, sıcak bölgedeki moleküllerin daha yüksek kinetik enerjiye sahip olması nedeniyle kendiliğinden sıcaktan soğuğa akar ve denge sağlanana kadar akış sürer. Sıcak tarafı daha sıcak, soğuk tarafı daha soğuk hale getirmek için sisteme enerji verilerek denge bozulmalıdır. Günümüzde bu iş soğutucu makineler tarafından gerçekleştirilir. Soğutucu makineler çalışma prensiplerine ve çalıştıkları sıcaklık aralığına göre sınıflandırılırlar. Buzdolapları ise soğutucu makinelerin evlerde kullanılan tipidir. Isı pompası tabiri güncel kullanımda gitgide yaygınlaşırken Türkiye'de üretimi 1960'larda başlayan buzdolabı (soğutucu), aslen hayatımıza ilk giren ısı pompası ürünüdür. Termodinamik temeli ters Carnot Çevriminden gelmektedir . Klima ve buzdolabı gibi ısı pompaları 1 birim enerji kullanarak 3-5 birim ısı işi yapmış ve verimi teorik olarak birden büyük bir makine imiş gibi görünseler de öyle değildirler; zira verimi mükemmel gösteren enerjiyi ortamdan aşırmaktadırlar.

İlk buzdolabı
Bir maddenin veya ortamın sıcaklığını onu çevreleyen hacim sıcaklığının altına indirmek ve orada muhafaza etmek üzere ısının alınması işlemine "soğutma" denir. En basit ve eski soğutma şekli, soğuk yörelerde tabiatın meydana getirdiği buzları muhafaza edip bunları sıcak veya ısısı alınmak istenen yerlere koyarak soğumanın sağlanmasıdır. Eski zamanlarda besin maddeleri dağlardan taşınan buz ya da karla soğutulmaktaydı. Modern zamanlarda, modern elektrikli buzdolabının icadından önce, yılın büyük bölümünde serin depolama sağlamak için buz evi ve buzluk kullanılıyordu. Kışın meydana gelen kar ve buzu muhafaza ederek sıcak mevsimlerde bunu soğutma için kullanma usulünün M.Ö. 1000 yıllarında uygulanmakta olduğu bilinmektedir. Bu uygulamanın, bugün bile yurdumuzun bazı yörelerinde geçerli bir soğutma şekli olduğu görülmektedir. Diğer yandan, eski mısırlılardan beri geceleri açık gökyüzünü görecek tarzda yerleştirilen suyun soğutulabileceği bilinmektedir. Bu soğutma şekli, gece karanlıktaki sıcaklığın mutlak sıfır (-273) derece seviyesinde olmasından ve ışıma (radyasyon) yolu ile ısının gökyüzüne iletilmesinden ortaya çıkmaktadır.

Yapay soğutmanın tarihi, İskoç profesör William Cullen'ın 1755 yılında küçük bir soğutma makinesi tasarlamasıyla başladı. Cullen, dietil eter kabının üzerinde kısmi bir vakum oluşturmak için bir pompa kullandı. Sonra kaynatılır, çevredeki havadan ısı emilir. Buz ile elde edilen soğutma şeklinin, gerek zaman ve gerekse bulunduğu yer bakımından çoğu kez pratik ve ucuz bir soğutma sağlayamayacağı bellidir. Bunun yerine mekanik araç ve cihazlarla soğutma sağlanması tercih edilir ki soğutma yöntemleri bilimi de bu ikincisi ile ilgilenir. Mekanik soğutma ile ilgili bilinen ilk patent 1790 yılında İngiliz Thomas Harris ile John Long' a aittir. 1805 yılında Amerikalı mucit Oliver Evans, vakum altında eterle buz üretimi için kapalı bir buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimini tanımladı. 1820 yılında İngiliz bilim adamı Michael Faraday, yüksek basınç ve düşük sıcaklıklar kullanarak amonyağı ve diğer gazları sıvılaştırdı.

Ticari amaç ile ilk büyük buz satışı, 1806 yılında Frederic Tudor tarafından yapılmıştır. Tudor, 130 tonluk bir buz kütlesini Favorite adlı teknesiyle Antil Adaları' na götürmüştür. Daha sonraları “Buz Kralı” adı ile tanınan Tudor, ilk macerasından 3500 dolar para kaybetmesine rağmen bu zararın depolama olanaklarının bulunmayışından meydana geldiğini, gerçekte ise buz işinde büyük kazançlar bulunduğunu görebilmiş ve buz ticaretine devam ederek 1850 yıllarında senede 150.000 ton'a ulaşan bir buz ticareti hacmi geliştirmiştir. 1864'te ise buz sattığı ülkeler arasında Antiller, İran, Hindistan, Güney Amerika ülkeleri bulunuyor ve gemilerinin uğradığı limanlarının sayısı 53'ü buluyordu. Tabiatın bahşettiği buz ile soğutma şeklinden 1800'lü yılların sonuna kadar geniş ölçüde yararlanılmıştır.

1834'te, Büyük Britanya'da yaşayan Amerikalı bir göçmen olan Jacob Perkins, ilk çalışan buhar sıkıştırmalı soğutma sistemini inşa etti. Bu makine, bir emme basma tulumbaya benzer. Bir tıp doktoru olan John Gorrie (1803-1855) ilk defa, ticari gaye ile çalışan bir soğutma makinası yapmış (1844-Apalachicola, Florida, ABD) ve “Klima Sistemleri – Soğutma - Ticari buz imali” konularının babası olarak tarihe geçmiştir.

Bu, sürekli çalışabilen kapalı çevrimli bir cihazdı. Benzer bir girişim 1842'de, çalışan bir prototip inşa eden Amerikalı doktor John Gorrie tarafından yapıldı, ancak ticari bir başarısızlıkla sonuçlandı. Amerikalı mühendis Alexander Twining, 1850 yılında eter kullanan bir buhar sıkıştırma sistemi için İngiltere'de patent aldı. İlk pratik buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi, İskoç Avustralyalı James Harrison tarafından inşa edildi. 1856 patenti, eter, alkol veya amonyak kullanan bir buhar sıkıştırma sistemi içindi. 1851'de Victoria, Geelong'daki Rocky Point'te Barwon Nehri kıyısında mekanik bir buz yapma makinesi inşa etti ve ilk ticari buz yapma makinesi 1854'te bunu izledi. Harrison ayrıca ticari buhar sıkıştırmalı soğutma sistemini bira fabrikalarına ve et paketleme tesislerine tanıttı ve 1861 yılına gelindiğinde sistemlerinden bir düzine kadarı çalışır durumdaydı. İlk gaz absorpsiyonlu soğutma sistemi (kompresörsüz ve ısı kaynağıyla çalışan) 1859 yılında Fransa'da Edward Toussaint tarafından geliştirilmiş ve 1860 yılında patentlenmiştir. Suda çözünmüş gaz halindeki amonyak ("aqua amonyak") kullanmıştır.

Uygulama alanında ilk defa 1860 yılında Dr. James Harrison (Avustralya) üretim işlemi sırasında birayı soğutmak maksadıyla mekanik soğutmayı başarıyla kullanmıştır. Sistemde soğutucu akışkan olarak Sülfirik Eter kullanılmıştır.

Almanya'daki Münih Teknoloji Üniversitesi'nde mühendislik profesörü olan Carl von Linde, 1876'da gazları sıvılaştırmanın geliştirilmiş bir yöntemini patentleyerek ilk güvenilir ve verimli sıkıştırılmış amonyaklı buzdolabını yarattı. Yeni süreci, amonyak (NH3), kükürt dioksit (SO2) ve metil klorür (CH3Cl) gibi gazların soğutucu olarak kullanılmasını mümkün kıldı. 1895 yılında soğutma çevrimini keşfetti. 1894 yılında Macar mucit ve sanayici István Röck elektrikli kompresörlerle çalıştırılan büyük bir endüstriyel amonyak buzdolabı üretmeye başladı. Elektrikli kompresörleri Ganz Works tarafından üretildi. 1896 Milenyum Sergisi'nde Röck ve Esslingen Makine Fabrikası 6 ton kapasiteli yapay buz üretim tesisi sundu. 1906 yılında Macaristan'ın ilk büyük soğuk hava deposu (3.000 ton kapasiteli, Avrupa'nın en büyüğü) Budapeşte'deki Tóth Kálmán Caddesi'nde açıldı, makine Ganz Works tarafından üretildi.

Otomatik olarak çalışan buz dolapları 1918 yılında Kelvinatör Company tarafından imal edilmeye başlandı ve ilk sene 67 dolap satıldı. 1918-1920 yılları arasında toplam 200 dolap yapılarak satıldı. Absorpsiyon prensibiyle çalışan otomatik bir buz dolabı da (Electrolux) 1927 yılında Amerika'da satışa çıktı.

Evde kullanılmak amacıyla ilk buzdolabı 1913 yılında Chicago'da yapıldı. Domelre marka bu buzdolabı, elektrikle çalışıyordu. Ahşap gövdesinin üzerinde kompresör tipi bir soğutucu vardı. Ev tipi ilk buzdolabı, 1913 yılında ABD'nin Chicago kentinde üretildi. Gövdesi ahşaptan yapılan bu buzdolabının soğutucu mekanizması, dolabın tavanına konmuştu ve neredeyse yarısı kadardı. 1930'larda fiyatların düşmesi ve Freon-12 (R-12) gibi toksik olmayan, yanıcı olmayan sentetik soğutucuların piyasaya sürülmesiyle birlikte Amerika Birleşik Devletleri'nde daha geniş kabul gördü. Ancak R-12'nin ozon tabakasına zarar verdiği ortaya çıktı ve hükümetler 1994 yılında yeni buzdolapları ve klima sistemlerinde kullanımını yasakladılar. R-12'nin daha az zararlı ikamesi olan R-134a (tetrafloroetan), 1990'dan beri yaygın olarak kullanılıyor, ancak R-12 hala birçok eski sistemde bulunuyor.

Soğutma devresi elemanları
Kompresör
Kompresörler soğutucu sistemin kalbini oluşturmaktadır ve çalışma prensipleri ne olursa olsun buharlaştırıcıdan çıkan gazı yoğuşma basıncına kadar sıkıştırılması işlevini yerine getirmektedir. Bu işlevi yerine getirebilecek başka kompresör çeşitleri ve tasarımları mevcut olmakla birlikte ev tipi buzdolaplarında çoğunlukla hermetik pistonlu kompresörler kullanılmaktadır. Bu kompresörler, her tek fazlı indüksiyon motorunda olduğu gibi yol verme sırasında özel uygulama gerektirir. Bu da çoğunlukla bir yardımcı sargıyla çözülür. Yardımcı sargının ana sargı ile birlikte çalışmaya devam edip etmeyeceği, etmeyecekse nasıl pasifize edileceği, yardımcı kondansatörler, termik koruma hep buzdolabı motoru ile ilgili ayrıntılardır. Ev tipi dolaplarda bulunan ana ve yardımcı sargıların uçları motorun dışına C(ommon) S(tart) ve R(un) kodları ile çıkarılır. S sargısına motor çalıştığında R ile birlikte enerji verilip, motor kalkış yaptıktan sonra akım rölesi veya PTC röle ile enerjiyi kesmek yöntemlerden sadece biridir. RSIR, RSCR, CSIR, PSC, CSCR adlı uygulamalar motora göre üretici tarafından belirlenir. Yol verme yönetemlerindeki değişkenlikler, termik koruyucu, akım rölesi, gerilim rölesi, termostat gibi bileşenlere yetkin olmama durumu da eklenince kompresör arızalarında teşhis hatalarının sık sık yapıldığı ve sağlam olan çok sayıda kompresörün (yaklaşık 1/3) sökülüp atıldığı araştırmalarla belirlenmiştir.

Değişken hızlı kompresör uygulamalarında, hız kontrolü frekansın değiştirilmesi (invertör buzdolabı) yoluyla gerçekleştirilmektedir. İnvertör klima satışı, enerji tasarrufu düzenlemeleri nedeniyle zorunlu hale geldiği gibi soğutucu dolaplarda da kullanımı artmaktadır. Hız kontrolü yapılan kompresörlerde doğru akım motorları, indüksiyon motorları ve senkron motorlar kullanılmaktadır.

Kompresör silindir hacmi, buzdolabı hacmi ve kullanılan soğutkana bağlı olarak 2 cm3 ve 1 0 cm3 arasında değişmektedir.

Yoğuşturucu (kondenser)
Kondenser kompresörden emdiği basıncı yüksek akışkanı (soğutucu gaz) içerisinde dolaştırarak dışarıya ısı vermesini sağlar.Bu olay buz dolaplarında doğal klimalarda ise fan yardımıyla olur. Burada gaz soğumuş olarak filtreye (drayer) gider.

Buharlaştırıcı (evaporatör)
Buharlaştırıcı, kısılma vanasından gelen düşük sıcaklık ve düşük basınçtaki sıvının, kabin ısısını alarak buharlaştığı bölümdür. Bu nedenle demir, çelik, pirinç, bakır ve alüminyum gibi malzemelerden imal edilir. Kabin içinde saklı veya kabin yüzeyinden yaklaşık 30 mm uzaklıkta harici olarak monte edilmektedir. Harici olarak yerleştirmede toplam ısı geçiş katsayısı daha yüksek olmaktadır. Hava ile buharlaştırıcı yüzeyi arasındaki ısı geçişi, doğal ya da zorlanmış taşınım ile gerçekleşir. Doğal ısı taşınımı, ufak dirençlerle karşılaştığında bile sorun yaratmaktadır. Bu nedenle bir fan kullanılarak, hava dolaşımının zorlanmış ısı taşınımıyla elde edilmesi tercih edilmektedir. Zorlanmış ısı taşınımında daha çok kanatlı buharlaştırıcılar kullanılmaktadır. Buzdolabında, tek buharlaştırıcı kullanılabileceği gibi, birden fazla buharlaştırıcı da kullanılabilmektedir. İki buharlaştırıcı kullanıldığında, bunlardan biri donmuş gıda depolama bölümüne, diğeri de taze gıda depolama bölümüne konulmaktadır. Tek buharlaştırıcılı sistemlerde, fanlar yardımıyla hava hareketi sağlanarak, değişik bölmelerin istenilen oranlarda soğutulması sağlanmaktadır.

Filtre (Drayer)
Drayer filtre kurutucu;Soğutma sistemlerinde montaj sırasında kalabilecek kaynak artıklarını kompresörün zamanla aşınıp soğutucu akışkanla sisteme yayılan metal tozlarını süzer nem ve oluşabilecek asidi tutar. Kondenser çıkışına varsa likit deposundan sonra monte edilir.
Kompesör yanması, gaz kaçağı gibi arızalar ve büyük tadilatlarda drayerin değişimi gerekir.

Termostat
Termostat soğutma sıcaklığını ayarlayan devre elemanıdır. İç yapısında yine soğutma sistemlerinde kullanılan gazlardan biri bulunur (R 12, R134 a v.b) Buzdolaplarında evaporatöre monteli olur içi gaz dolu bulpun ucu (yaklaşık termostatın 1,5 metre uzunluğunda kılcal borusu bulunur) evaporatöre monteli olup evaporatördeki soğutma arttıkça bulp içindeki gaz termostat gödesindeki körüğün şişerek kontağı açmasına ve bu kontağa bağlı kompresörün devre dışı kalmasına sıcaklık yükseldiği zaman körüğün sönerek tekrar kontağı kapamasıyla kompresörün çalışmasına sebep olur. Bu şekilde soğutma sıcaklığı termostatda ayarlanan değerde kalır aynı zamanda kompresörün dinlenmesi sağlanır. Klima sistemlerinde termostat ortam sıcaklığına göre kompresörü devreye alıp çıkarır.

Kılcal boru
Soğutkanın kılcal borudan gaz halde geçişi zordur (buhar tıkacı), sıvı haldeki soğutkan daha kolay geçer, kılcal borunun bu özelliğiyle soğutkanın akışı kontrol edilerek kondanserde yüksek basınç evaporatörde alçak basınç alanı oluşturulur.
Küçük kapasiteli soğutma, klima sistemleri için basit ve ucuz bir çözümdür.
Kompresör durduğunda akış soğutma devresindeki basınç farklılığı dengeleninceye kadar devam eder. Bu olay kompresörün bir sonraki çalışması için kalkış kolaylığı sağlar.
Kullanılacak kılcal borunun boy ve çap ölçüleri soğutma kapasitesi, soğutkanın cinsi, evaporasyon ve kondanzasyon durumuna göre değişir.

Soğutucu gaz
Buzdolabının içindeki ısıyı dışarı taşımak ve soğutma sağlamak için kullanılan akışkan maddelerdir. Soğutkanlarda bulunması gereken bazı özellikler şunlardır:
Çevresel uyum
Yanıcı, patlayıcı, zehirli olmaması
Sistemin hiçbir yerinde kimyasal değişikliğe uğramaması
Düşük maliyet
Yüksek verimlilik (COP) sağlaması

Isı değiştirici
Buzdolabı soğutma devresinde, yüksek basınçlı soğutkanın dolaştığı borulara basma boruları, alçak basınçlı soğutkanın dolaştığı borulara da emme boruları denilmektedir. Emme ve basma borularının bir bölümü birleştirilerek bir ısı değiştirici meydana getirilir. Isı değiştirici; basma borusu, emme borusunun içinden geçecek şekilde yapılabileceği gibi, basma ve emme borularının ayrı ve açıkta birleştirilmesiyle de elde edilebilmektedir. Isı değiştiricisinde, buharlaştırıcıdan gelen soğutkan bir miktar ısınma yoğuşturucudan gelen soğutkan bir miktar soğuma imkânı bulur. Yoğuşturucudan gelen soğutkanın soğuması, kısılma vanasında başlayan buharlaşmayı azaltıcı yönde etki yapmaktadır. Kısılma vanasında buharlaşamayan soğutkan, buharlaştırıcıda buharlaştığından soğutma kapasitesi artmaktadır. Buharlaştırıcıdan gelen soğutkanın ısınması, kompresöre sıvı soğutkan ulaşmamasını garanti altına alırken, soğutkanın kızgın buhar haline geçmesini de sağlamaktadır. Bu yöntem soğutma sisteminin verimini artırmaktadır.

Soğutma çevrimi
İdeal çevrimde, soğutucu akışkan kompresöre doymuş buhar halinde girer. Uygulamada ise soğutucu akışkanın hal değişimi hassas bir şekilde kontrol edilemediğinden, soğutucu akışkanın kompresöre kızgın buhar halinde girmesi sağlanacak şekilde sistem tasarlanır. Kompresör (1), buharlaştırıcıdan (5) gelen kızgın buhar halindeki soğutkanı, emme vanasının açılmasıyla emer. Soğutkan silindire girmeden kompresör içinde basınç kaybına uğramaktadır.

Soğutkan, kompresör içinde bulunan silindir hacmindeki bir piston aracılığıyla sıkıştırılır. Sıkıştırılan soğutkanın basıncı yükselir. Soğutkanın silindiri terk edebilmesi için basma vanasındaki basınç kayıplarını yenmesi gerekmektedir. Basma vanasının açılmasıyla soğutkan yüksek basınç ve sıcaklıkta pompalanır.

Basma borusu boyunca ilerleyerek yoğuşturucuya (2) gelen yüksek basınç ve sıcaklıktaki soğutkan, ortama ısı atarak önce yoğuşmakta, sonrasında aşırı soğutularak yine yüksek basınçta sıvı soğutkan haline geçmektedir. Soğutkan yoğuşturucuda da basınç kaybına uğramaktadır.

Daha sonra soğutkan kısılma vanası (3) girişine gelir. Soğutucu akışkanın kılcal boruda kısılması esnasında entalpisi sabit kalır. Kısılma sürecinde sistem basıncı yoğuşturucu basıncından (yüksek basınç), buharlaştırıcı basıncına (alçak basınç) düşer. Isı değiştiricide (4) bir miktar ısı kaybeden soğutkan buharlaştırıcıya (5) ulaşır.

Buharlaştırıcıda da bir miktar basınç kaybına uğrayan soğutkan, soğutma ortamından ısı çekerek buharlaşır. Ardından emme borusu boyunca ilerleyerek tekrar ısı değiştiriciye gelir. Bu sefer ısı kazanır ve kompresöre kızgın buhar halinde döner.

Soğutma çevrimlerinin analizinde, genellikle ideal bir referans çevrim kullanılır. Sıkıştırma sürecinin izentropik olduğu varsayılmaktadır. Kısılma süreci de ısı değiştiricideki ısı geçişi göz önünde bulundurulmayarak adyabatik olarak kabul edilmektedir. Buharlaştırıcı ve yoğuşturucudaki basınç kayıpları dikkate alınmamaktadır.

Kuntiz soğutma
Bazı buzdolaplarında hareket eden bir kısım yoktur. Buharlaşma ve yoğunlaşma işlemlerinde ısı (ekseriya bir gaz alevi) kullanılır. Absorbsiyonlu soğutucular elektriğin olmadığı veya pahalı olduğu uzak köşelerde kullanılır.

No frost buzdolabı
No frost buzdolaplarında gazlı, kompresörlü soğutma sistemi devre elemanlarının her biri mevcuttur, farklı olarak, evaporatör etrafında bulunan ısıtıcı rezistanslar, bu rezistansları devreye alan ve çıkaran zaman rölesi (timer) ve evaporatör üzerinden hava akışı ile hızlı soğutma sağlayan fan(lar) bulunur. Gün içerisinde belli aralıklarla rezistanslar evaporatör üzerinde biriken karı eriterek hem buzdolabının daha verimli çalışmasını sağlar hem de hiçbir zaman kullanıcının buzları eritmesine ihtiyaç kalmaz. Kullanıcı bu işlemin farkında olmaz. Buzdolaplarında eriyen buzların suları genelde kompresör üzerindeki hazneye giderek kompresörün sıcaklığı ile buharlaşır veya dolabın altına kadar uzatılan kondenser borularının içinden geçtiği bir su toplama kabında kondenser borusunun sıcaklığı ile buharlaşır.

Diğer Buzdolapları
Mevcut seri üretimde olmayan buhar sıkıştırma döngüsüne alternatifler şunları içerir:

Akustik soğutma
Hava döngüsü
Manyetik soğutma
Malone motor
Darbe tüpü
Stirling çevrimi
Termoelektrik soğutma
Termiyonik soğutma
Vorteks tüpü
Su döngüsü sistemileri.
Güneş enerjili buzdolabı
Absorpsiyonlu buzdolabı
Einstein buzdolabı
Frigorifik konteyner
Frigorifik vagon
Frigorifik kamyon
Frigorifik gemi


Kaynakça
Ayrıca bakınız
Buzdolabı ölümü
Buzdolabı anne teorisi
Dondurulmuş gıda
Literatür
Ana Britannica Cilt 19, Ana Yayıncılık
Ayber, R. (1983). Soğutma Tekniği Ders Notları, İTÜ Makine Fakültesi Ofset Atölyesi, İstanbul
Zorkun, M. E., Ardıç, A. R. (1980). Soğutma Tekniği ve Klima, MEB, Ankara
Yavuz T. (2001). Kesintili ve Sürekli Çalışmanın Buzdolabı Performansı Üzerindeki Etkisi